第8講 模擬線性調(diào)制的原理.ppt

1、通信原理電子教案,廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 2012年9月,通信原理電子教案,授課班級(jí)：通信1103班、通信1104班 授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 梁能,第4章 模擬調(diào)制系統(tǒng) 調(diào)制是頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)。 主要內(nèi)容高頻電子線路已經(jīng)學(xué)過(guò)，從通信原理角度予以帶有復(fù)習(xí)性質(zhì)的介紹。,4.0 引言 4.1 幅度調(diào)制的原理 4.2 線性調(diào)制系統(tǒng)的抗操聲性能 4.3 角度調(diào)制（非線性調(diào)制）的原理及抗噪聲性能 4.4 各種模擬調(diào)制系統(tǒng)的比較 4.5 頻分復(fù)用（FDM）,4.0 引言 調(diào)制的定義：是按原始電信號(hào)的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過(guò)程。 調(diào)制的方式 ：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制 調(diào)制信號(hào)形式； 載波的選擇： 正弦波

2、和脈沖調(diào)制 高頻載波形式。 調(diào)制的作用： 調(diào)制的分類： AM 、 DSB-SC、 SSB 、 VSB 、FM和PM。,4.1 幅度調(diào)制的原理,4.1.1 幅度調(diào)制的一般模型 幅度調(diào)制定義：用調(diào)制信號(hào)去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程。,模型：,表達(dá)式：,m(t)-調(diào)制信號(hào)（一般為基帶信號(hào)）； sm(t)-已調(diào)信號(hào)； h(t)-濾波器的沖激響應(yīng)。,模型：,表達(dá)式：,討論： 在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化； 在頻譜上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制； 適當(dāng)選擇H( )、m(t)，便可得到各種幅度調(diào)制信

3、號(hào)，例如：常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）信號(hào)等。,4.1.2 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM） 1. AM信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬 條件（在一般模型的基礎(chǔ)上） ： 濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)：H( )=K(=1); 調(diào)制信號(hào)：m(t)外加直流分量A0，且,（1）模型,（2）表達(dá)式,（3）波形及頻譜,（4）討論 AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即 上邊帶、下邊帶。都含有原調(diào)制信號(hào)的完整信息 。 包絡(luò)檢波不發(fā)生失真條件 過(guò)調(diào)制。,2.AM信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率 已調(diào)信號(hào)功率為： 功率分配： 注：Pc載波功率；Ps

4、邊帶功率； 基帶信號(hào)功率。 調(diào)制效率： 顯然，AM信號(hào)的調(diào)制效率總是小于1。,例4.1 設(shè)m(t)為正弦信號(hào)，進(jìn)行100的常規(guī)雙邊帶調(diào)幅，求此時(shí)的調(diào)制效率。 解： 依題意無(wú)妨設(shè) 而100調(diào)制就是 的調(diào)制，即 因此,由此可見，正弦波做100AM調(diào)制時(shí)，調(diào)制效率僅為33.3%!,3.AM信號(hào)的解調(diào) 調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)。AM信號(hào)的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。,用一個(gè)低通濾波器，就無(wú)失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)：,（1）相干解調(diào) 原理：乘法器移頻。 關(guān)鍵：與調(diào)制器同頻同相位的載波。,問(wèn)：同頻不同相？ 同相解調(diào)結(jié)果：1/2幅度。,（2）包絡(luò)檢波法 原理：AM信號(hào)波形的包絡(luò)與輸入基帶信號(hào)成正比

5、，故可以用包絡(luò)檢波的方法恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)。,包絡(luò)檢波器：一般由半波/全波整流器和LPF組成。 電路由二極管D、電阻R和電容C組成。,包絡(luò)檢波器的輸出與輸入信號(hào)的包絡(luò)十分相近，即：,（3）討論 包絡(luò)檢波法屬于非相干解調(diào)法，其特點(diǎn)是：解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)電路簡(jiǎn)單，特別是接收端不需要與發(fā)送端同頻同相位的載波信號(hào)，大大降低實(shí)現(xiàn)難度。 故幾乎所有的調(diào)幅（AM）式接收機(jī)都采用包絡(luò)檢波法。 采用AM傳輸信息 好處：解調(diào)電路簡(jiǎn)單，可采用包絡(luò)檢波法。 缺點(diǎn)：調(diào)制效率低，載波分量不攜帶信息，但卻占據(jù)了大部分功率。 改進(jìn)措施：如果抑制載波分量的傳送，則可演變出另一種調(diào)制方式，即抑制載波的

6、雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）。,4.1.3 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC） 1. DSB信號(hào)的表達(dá)式、頻譜及帶寬,條件（在一般模型的基礎(chǔ)上）： 濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)：H( )=K(=1); 調(diào)制信號(hào)：無(wú)直流分量，依然,（2）表達(dá)式,（1）模型,（3）波形及頻譜,討論：DSB信號(hào)不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，只能相干解調(diào)； 除不含載頻分量離散譜外，DSB信號(hào)頻譜同于AM（由上下對(duì)稱的兩個(gè)邊帶組成）DSB信號(hào)是不帶載波的雙邊帶信號(hào)； 它的帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍：,2. DSB信號(hào)的功率分配及調(diào)制效率 由于不再包含載波成分，因此，DSB信號(hào)的功率就等于邊帶功率，是調(diào)制信號(hào)功率的一半，即,顯然，DSB信號(hào)的調(diào)制

7、效率為100%。,3.DSB信號(hào)的解調(diào) DSB信號(hào)只能采用相干解調(diào)。 乘法器輸出為：,經(jīng)低通濾波器濾除高次項(xiàng)，得,即無(wú)失真地恢復(fù)出原始電信號(hào)。 DSB調(diào)制的好處:節(jié)省了載波發(fā)射功率，調(diào)制效率高；調(diào)制電路簡(jiǎn)單，僅用一個(gè)乘法器就可實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn):占用頻帶寬度比較寬，為基帶信號(hào)的2倍。 改進(jìn)招數(shù)？,4.1.4 單邊帶調(diào)制（SSB） 考察：由于DSB信號(hào)的上、下兩個(gè)邊帶是完全對(duì)稱的，皆攜帶了調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，僅傳輸其中一個(gè)邊帶就夠了。 1. SSB信號(hào)的產(chǎn)生 產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法很多，最基本的：濾波法和相移法。（1）濾波法據(jù)一般模型而建,條件： 濾波器為： 調(diào)制信號(hào)：調(diào)制

8、信號(hào)基帶信號(hào)， 且 關(guān)鍵/注：,模型,模型,頻譜,頻域 表達(dá)式,（2）用相移法形成SSB信號(hào)據(jù)時(shí)域表達(dá)式而建 可以證明， SSB信號(hào)的時(shí)域表示式為： 式中：“”對(duì)應(yīng)上邊帶信號(hào)，“+”對(duì)應(yīng)下邊帶信號(hào)；,是 的希爾伯特變換。,模型,為希爾伯特濾波器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì) m(t)中的所有頻率分量均相移。,2. SSB信號(hào)帶寬、功率和調(diào)制效率,3. SSB信號(hào)的解調(diào) SSB信號(hào)的解調(diào)也不能采用包絡(luò)檢波，只能采用相干解調(diào)，,SSB信號(hào)不含載波成分，單邊帶幅度調(diào)制的效率也為100%。,乘法器輸出為：,經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為,SSB信號(hào)的解調(diào)原理：,是DSB時(shí)的二分之一。 心得：相干解調(diào)解出同

9、相分量的一半，抑制正交分量。,回顧/小結(jié)： AM調(diào)制： 可采用包檢，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)制效率低，最大33； DSB調(diào)制：調(diào)制效率高，但信號(hào)占用頻帶寬； SSB調(diào)制：調(diào)制效率高，信號(hào)占用頻帶低，同于基帶信號(hào)。,4.1.5 殘留邊帶調(diào)制（VSB） 特點(diǎn)：殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的問(wèn)題，又解決了單邊帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)的難題。 原理：在殘留邊帶調(diào)制中，除了傳送一個(gè)邊帶外，還保留了另外一個(gè)邊帶的一部分。,1. 殘留邊帶信號(hào)的產(chǎn)生,模型,頻譜,頻域表達(dá)式,關(guān)鍵：殘留邊帶濾波器（待證）,時(shí)域表達(dá)式?,滿足互補(bǔ)對(duì)稱特性的滾降形狀可以有無(wú)窮多種，用的最

10、多的是直線滾降和余弦滾降。,幾何含義：HVSB()在載頻附近必須具有互補(bǔ)對(duì)稱性。 HVSB()可以看作是對(duì)截止頻率為c的理想濾波器的進(jìn)行“平滑”“滾降”的結(jié)果。 由于“滾降”，濾波器截止頻率特性的“陡度”變緩，實(shí)現(xiàn)難度降低，但濾波器的帶寬變寬。,2. 殘留邊帶信號(hào)的解調(diào) 只能采用相干解調(diào)。,乘法器輸出： 而： 代入上式得：,經(jīng)LPF: 所以：,同于DSB調(diào)制系統(tǒng)。,VSB與SSB調(diào)制： VSB帶寬：介于BDSB、BSSB之間，但趨于BSSB; 由于VSB基本性能接近SSB，而VSB調(diào)制中的邊帶濾波器比SSB中的邊帶濾波器容易實(shí)現(xiàn)，所以VSB調(diào)制在廣播電視、通信等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。,4.2 線

11、性調(diào)制系統(tǒng)的抗操聲性能,前面的分析都是在沒(méi)有噪聲的條件下進(jìn)行的。實(shí)際上，任何通信系統(tǒng)都避免不了噪聲的影響。 從第2章的有關(guān)信道和噪聲的內(nèi)容可知，通信系統(tǒng)是把信道加性噪聲中的起伏噪聲作為研究對(duì)象的。而起伏噪聲又可視為高斯白噪聲。 因此，本節(jié)將要研究信道存在加性高斯白噪聲時(shí)各種線性系統(tǒng)的抗噪聲性能可靠性研究。,4.2.1 通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型 由于加性噪聲只對(duì)已調(diào)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，因而調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能可用解調(diào)器的抗噪聲性能來(lái)衡量。分析解調(diào)器抗噪性能的一般模型：,為傳輸過(guò)程中疊加的高斯白噪聲：0、2、n0/2; 為窄帶高斯噪聲，可以表示為：,窄帶高斯噪聲ni(t)功率Ni：,輸出信噪比 輸

12、入信噪比 信噪比增益(調(diào)制制度增益)作為不同調(diào)制方式下解調(diào)器抗噪性能的度量。它可以定義為：,4.2.2 線性調(diào)制相干解調(diào)的抗噪聲性能,特點(diǎn)：相干解調(diào)屬于線性解調(diào)，故在解調(diào)過(guò)程中，輸入信號(hào)及噪聲可分開單獨(dú)解調(diào)。 適用：所有線性調(diào)制（DSB、SSB、VSB、AM）信號(hào)的解調(diào) 。,相干解調(diào)時(shí)接收系統(tǒng)模型：解調(diào)器為同步解調(diào)器，由相乘器和LPF構(gòu)成。,1. DSB調(diào)制系統(tǒng)的性能 （1）求So輸出信號(hào)的功率,解調(diào)器輸入信號(hào) 乘法器輸出 經(jīng)LPF輸出信號(hào) 輸出信號(hào)功率,可直接寫出,（2）求NO輸出噪聲的功率,解調(diào)器噪聲輸入 乘法器輸出,經(jīng)LPF輸出噪聲 輸出噪聲功率,可直接寫出,（3）求Si輸入信號(hào)功率 解

13、調(diào)器輸入信號(hào)平均功率：,結(jié)論： 解調(diào)器的輸入和輸出信噪比：,調(diào)制制度增益：,2.SSB調(diào)制系統(tǒng)的性能,（2）求No輸出噪聲的功率結(jié)論同于DSB,可直接寫出,但：？,（1）求So輸出信號(hào)的功率,（3）求Si輸入信號(hào)的功率,結(jié)論： 解調(diào)器的輸入和輸出信噪比：,調(diào)制制度增益：,DSB解調(diào)器的調(diào)制制度增益是SSB的二倍。因此就說(shuō)：雙邊帶系統(tǒng)的抗噪性能優(yōu)于單邊帶系統(tǒng)？ 比較前提：解調(diào)器的輸入噪聲功率譜密度n0/2相同； 輸入信號(hào)的功率Si也相等。 具體分析如下：,在相同的噪聲背景和相同的輸入信號(hào)功率條件下，DSB和SSB在解調(diào)器輸出端的信噪比是相等的。這就是說(shuō)，從抗噪聲的觀點(diǎn)，SSB制式和DSB制式是相

14、同的。 但：B,3.VSB調(diào)制系統(tǒng)的性能 VSB調(diào)制系統(tǒng)抗噪性能的分析方法與上面類似相干解調(diào)。 但問(wèn)題：采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，難以確定抗噪性能的一般計(jì)算公式。 不過(guò)，在殘留邊帶濾波器滾降范圍不大的情況下，可將VSB信號(hào)近似看成SSB信號(hào)，即 在這種情況下，VSB調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能與SSB系統(tǒng)相同。,解調(diào)器輸入信號(hào)為： 輸入噪聲為： 注：包絡(luò)檢波屬于非線性解調(diào)，信號(hào)與噪聲無(wú)法分開處理。,4.2.3 常規(guī)調(diào)幅包絡(luò)檢波的抗噪聲性能 AM信號(hào)可采用相干解調(diào)或包絡(luò)檢波。實(shí)際中，常用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波法解調(diào)。 1. 模型：一般模型中的解調(diào)器具體為包絡(luò)檢波器。,2.輸入信號(hào)功率Si、噪聲功

15、率Ni和輸入信噪比Si/ Ni,3. 輸出信號(hào)功率So、噪聲功率No、輸出信噪比So/ No 、GAM 非線性解調(diào)，信號(hào)與噪聲無(wú)法分開處理。 解調(diào)器輸入的信號(hào)加噪聲的合成波形是 ： 其中合成包絡(luò)：,理想包絡(luò)檢波器的輸出就是A(t)。 檢波器輸出中有用信號(hào)與噪聲無(wú)法完全分開，因此，計(jì)算輸出信噪比是件困難的事。為簡(jiǎn)化起見，考慮兩種特殊情況： 大信噪比情況 小信噪比情況,（1）大信噪比情況,大信噪比（輸入信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度），即 :,即：,此時(shí),輸出信號(hào)功率、噪聲功率和信噪比：,調(diào)制制度增益：,對(duì)于100調(diào)制（即 ），且又是單音頻正弦信號(hào)輸入時(shí)：,小信噪比（噪聲幅度遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)幅度），即:,（2）小信噪比情況,此時(shí),即：,結(jié)論： 在大信